平行紡成紗質(zhì)量指標(biāo)回歸分析及工藝參數(shù)優(yōu)化

馮清國(guó) 任家智 陳宇恒 葉 靜

（中原工學(xué)院，河南鄭州，450007）

近些年來(lái)花式紗線(xiàn)以廣泛的原料適用性、豐富的色彩、變化的外觀效果極大程度地豐富了產(chǎn)品的花色品種［1］。而平行紗作為花式紗的一小分支，因其獨(dú)特的包纏結(jié)構(gòu)，紡制的紗線(xiàn)具有表面毛羽少、紗體柔軟、蓬松性好、條干好、強(qiáng)力高等優(yōu)點(diǎn)，受到了越來(lái)越多學(xué)者及研究人員的關(guān)注［2-3］。

文獻(xiàn)［4-5］根據(jù)不同的外包紗和芯紗組合對(duì)平行紡的形式及特點(diǎn)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［6-7］豐富了平行紡的適紡原料組成，彌補(bǔ)了各自纖維成紗的缺陷。文獻(xiàn)［8-9］對(duì)長(zhǎng)絲包纏數(shù)和紗線(xiàn)強(qiáng)力的關(guān)系進(jìn)行了研究，認(rèn)為紗線(xiàn)強(qiáng)力隨長(zhǎng)絲號(hào)數(shù)的增加而增加，但成本會(huì)大幅度增加。文獻(xiàn)［10］認(rèn)為包纏張力的大小會(huì)影響平行紗的強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)率。包纏張力增大，紗線(xiàn)強(qiáng)力增加，伸長(zhǎng)率下降；包纏張力增加到一定程度，強(qiáng)力不再增加或增加很少，伸長(zhǎng)率也趨于平穩(wěn)。文獻(xiàn)［11］通過(guò)對(duì)包纏紡結(jié)構(gòu)及性能的分析，提出了對(duì)平行紡的工藝創(chuàng)新優(yōu)化。

對(duì)平行紡來(lái)說(shuō)［12］，包纏捻度和包纏張力是影響平行紗紡制的重要工藝參數(shù)［13］，直接影響紗線(xiàn)的外觀質(zhì)量及內(nèi)在結(jié)構(gòu)。本研究利用響應(yīng)曲面法對(duì)平行紡紗工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期獲得最佳工藝并對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原料及紗線(xiàn)規(guī)格

以棉/錦綸88/12 粗紗（定量5.34 g/10 m）為芯紗，滌綸長(zhǎng)絲5.56 tex 為外包紗，紡制線(xiàn)密度為26 tex+5.56 tex 的平行紗。

1.2 試驗(yàn)工藝參數(shù)設(shè)置

采用HFX-07 型花式捻線(xiàn)機(jī)，主要工藝參數(shù)：空心錠轉(zhuǎn)速5 000 r/min ，輸出羅拉線(xiàn)速度2 m/min，總牽伸20.56 倍，后區(qū)牽伸1.5 倍，包纏張 力0.9 倍～1.0 倍，包 纏 捻 度500 捻/m～800 捻/m，牽伸羅拉直徑25 mm×25 mm×25 mm，羅拉中心距52 mm×46 mm ，輸出羅拉直徑42 mm，引紗羅拉直徑82 mm，鉗口隔距3 mm，搖架壓力140 N/雙錠。

1.3 性能測(cè)試指標(biāo)及測(cè)試條件

采用YG061 型單紗強(qiáng)力儀測(cè)試紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)力。測(cè)試長(zhǎng)度250 mm，拉伸速度250 mm/min，測(cè)試10 次并取平均值。采用USTER ME100 型條干均勻度儀測(cè)試條干CV。測(cè)試速度200 m/min，測(cè)試時(shí)間1 min，測(cè)試10 次并取平均值。測(cè)試環(huán)境相對(duì)濕度（65±5）%，溫度（20±2）℃。

1.4 試驗(yàn)方案及結(jié)果

由于包纏捻度和包纏張力是平行紡的重要工藝參數(shù)，直接影響紗線(xiàn)的外觀質(zhì)量及內(nèi)在結(jié)構(gòu)，因此利用Design Expert 軟件，采用Central Composite Design（CCD）設(shè)計(jì)響應(yīng)曲面，對(duì)包纏捻度和包纏張力進(jìn)行優(yōu)化，以期獲得最優(yōu)紡紗工藝。 在CCD 設(shè)計(jì)時(shí)，只要給出各個(gè)試驗(yàn)因子試驗(yàn)條件取值的上下限范圍，軟件將自動(dòng)對(duì)處理水平進(jìn)行編碼，即Zj=（xj-xj0）/Δj，式中：Zj為規(guī)范變量，xj為自變量，xj0分別為自變量的零水平，Δj為變化區(qū)間［14］。因子水平編碼表如表1 所示，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表1 因子水平編碼表

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

2 成紗質(zhì)量指標(biāo)回歸模型的建立

2.1 斷裂強(qiáng)力的回歸模型

利用Design Expert 軟件采用響應(yīng)曲面法選取包纏捻度和包纏張力兩因素進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，其響應(yīng)值分別為斷裂強(qiáng)力及條干CV。由于進(jìn)行多指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果測(cè)試，所以從綜合各指標(biāo)最優(yōu)值的角度出發(fā)，利用方差分析以及回歸方程對(duì)試驗(yàn)實(shí)際值分析得出方程預(yù)測(cè)值，最后進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化得出最優(yōu)試驗(yàn)方案。

2.1.1 方差分析及系數(shù)顯著性檢測(cè)

二次模型方差分析通過(guò)較少的模型得到二次多項(xiàng)式擬合模型方差和回歸方程系數(shù)分析結(jié)果，如表3 所示。若表中所有模型的p值小于0.05，表示該項(xiàng)對(duì)斷裂強(qiáng)力顯著性高；p值小于0.01，表示顯著性極高；p值大于0.05，表示顯著性不好，需要去掉該項(xiàng)。失擬項(xiàng)越小，其對(duì)應(yīng)的p值越大，表示方程的擬合度越好，p值大于0.05 表明響應(yīng)值與模型回歸方程的關(guān)系是好的。

表3 二次多項(xiàng)式擬合模型方差和回歸方程系數(shù)分析

由表3 可知，模型的p值大于0.05，認(rèn)為擬合的方程無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，需對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，選擇將最不顯著項(xiàng)Z2、Z1Z2、Z12、Z22去除，簡(jiǎn)化模型結(jié)果如表4 所示［15］。由二次多項(xiàng)式擬合模型分析結(jié)果（p值=0.036 1＜0.05，失擬項(xiàng)p值=0.364 4＞0.05）表明，該模型具有較高的顯著性。同時(shí)系數(shù)Z1在α=0.05 水平上高度顯著，因此，可以認(rèn)為包纏張力對(duì)斷裂強(qiáng)力影響較大。

表4 簡(jiǎn)化模型的方差及回歸方程系數(shù)分析結(jié)果

2.1.2 回歸方程的建立

響應(yīng)面分析過(guò)程中數(shù)據(jù)處理是以已編碼數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，即輸入的未編碼試驗(yàn)因素水平值，軟件會(huì)將其轉(zhuǎn)化為編碼值后，再進(jìn)行各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)分析與方程擬合。編碼因子表示的系數(shù)表如表5 所示。當(dāng)各因子正交時(shí)，VIF為1；VIF大于1，表示多共線(xiàn)性，VIF越高，各因素的相關(guān)性越強(qiáng)。

由表5 可得，編碼后的方程為斷裂強(qiáng)力=280.22+14.28×Z1。 根據(jù)編碼公式Z1= (x1-x10)/Δ1= (x1-0.95)/0.05，將線(xiàn)性方程y=280.22+14.28×Z1回代得y=280.22+14.28×(x1-0.95)/0.05，則斷裂強(qiáng)力的實(shí)際擬合方程y=8.9+285.6×x1，可以使用該方程直接進(jìn)行求解，獲得試驗(yàn)最優(yōu)值與相應(yīng)的試驗(yàn)條件。

表5 以編碼因子表示的系數(shù)表

2.1.3 模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的有效性，根據(jù)二次多項(xiàng)式擬合方程分析結(jié)果可以得到模型對(duì)于響應(yīng)值的擬合度，殘差的正態(tài)概率分布圖越靠近直線(xiàn)越好；殘差與方程預(yù)測(cè)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖中分布越分散越無(wú)規(guī)律越好；預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)際值的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖越靠近同一條直線(xiàn)越好［16］。對(duì)于斷裂強(qiáng)力，其殘差的正態(tài)概率分布靠近直線(xiàn)，如圖1 所示。殘差與方程預(yù)測(cè)值的對(duì)應(yīng)分布無(wú)規(guī)律，如圖2 所示。預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)際值對(duì)應(yīng)靠近同一條直線(xiàn)，如圖3 所示。因此試驗(yàn)值與回歸方程得到的預(yù)測(cè)值滿(mǎn)足上述規(guī)律，擬合度較好，從而可以預(yù)測(cè)出最佳試驗(yàn)方案。

圖1 斷裂強(qiáng)力殘差的正態(tài)概率分布圖

圖2 斷裂強(qiáng)力殘差與方程預(yù)測(cè)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖3 斷裂強(qiáng)力預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)際值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.1.4 響應(yīng)面分析

響應(yīng)面圖能夠非常清楚直觀地表現(xiàn)包纏捻度和包纏張力發(fā)生變化時(shí)對(duì)斷裂強(qiáng)力的影響，如圖4 所示。 可以看出包纏張力對(duì)斷裂強(qiáng)力作用顯著，且呈較強(qiáng)的線(xiàn)性關(guān)系。隨著包纏張力的增大，斷裂強(qiáng)力也隨之增大，這說(shuō)明平行紗的強(qiáng)力主要靠起固紗作用的長(zhǎng)絲對(duì)芯纖維須條的包纏來(lái)獲得，當(dāng)長(zhǎng)絲包纏張力較小時(shí)，長(zhǎng)絲對(duì)紗中須條的正壓力較小，短纖須條比較松散；當(dāng)包纏張力逐漸增加時(shí)，正壓力增加，短纖須條滑脫現(xiàn)象減少，從而使斷裂強(qiáng)力增加。而包纏捻度對(duì)斷裂強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。

圖4 包纏捻度和包纏張力交互影響斷裂強(qiáng)力的響應(yīng)曲面

2.2 條干CV 值的回歸模型的建立

2.2.1 方差分析及系數(shù)顯著性檢測(cè)

對(duì)于響應(yīng)值條干CV同樣經(jīng)過(guò)二次模型的方差分析，如表6 所示。

由表6 可知，回歸方程模型的p值=0.032 2＜0.05，認(rèn)為該模型可用于預(yù)測(cè)。由于系數(shù)Z1、Z1Z2、Z12的p值＞0.05，表明需要對(duì)該響應(yīng)面方程進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，去掉不顯著項(xiàng)Z1、Z1Z2、Z12，簡(jiǎn)化后模型如表7 所示。由二次多項(xiàng)式擬合模型分析結(jié)果（p值=0.005 2＜0.05，失擬項(xiàng)p值=0.054 5＞0.05）表明，簡(jiǎn)化后的模型具有很高的顯著性。系數(shù)顯著性結(jié)果表明在α=0.05 水平上Z2線(xiàn)性效果十分顯著，Z22對(duì)條干非線(xiàn)性效果十分顯著，因此認(rèn)為包纏捻度對(duì)條干影響較大。

表6 二次多項(xiàng)式模型的方差及回歸方程系數(shù)分析

表7 簡(jiǎn)化模型方差分析結(jié)果及回歸方程系數(shù)

2.2.2 回歸方程的建立

編碼因子表示的系數(shù)表如表8 所示。

表8 以編碼因子表示的系數(shù)表

由表8 可得，編碼后的方程為條干CV=16.90-2.12×Z2+2.24×Z22。根據(jù)編碼公式Z2=(x2-x20)/Δ2= (x2-650)/150，將方程y=16.90-2.12×Z2+2.24×Z22回代得到y(tǒng)=16.90-2.12×[(x2-650)/150] +2.24× [(x2-650)/150]2。 則 成紗條干的實(shí)際擬合方程就是y=68.148 5-0.143 5×x2+0.000 1×x22。

2.2.3 模型的驗(yàn)證

根據(jù)二次多項(xiàng)式擬合方程分析結(jié)果來(lái)驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的有效性，可以得到響應(yīng)值條干CV值殘差的正態(tài)概率分布較好，如圖5 所示。殘差與方程預(yù)測(cè)值的對(duì)應(yīng)無(wú)規(guī)律，如圖6 所示。預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)際值的對(duì)應(yīng)靠近同一條直線(xiàn)，如圖7 所示，因此可以預(yù)測(cè)出最佳試驗(yàn)方案。

圖5 條干CV 殘差的正態(tài)概率分布圖

圖6 條干CV 殘差與方程預(yù)測(cè)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖7 條干CV 預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)際值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2.4 響應(yīng)面分析

包纏捻度和包纏張力交互影響條干響應(yīng)曲面圖如圖8 所示。包纏捻度對(duì)條干CV作用顯著，且呈較強(qiáng)的非線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)包纏捻度較小時(shí)，條干CV隨著包纏捻度的增大顯著降低，這主要是因?yàn)榘p捻度增加，長(zhǎng)絲螺旋線(xiàn)螺旋角增大，對(duì)無(wú)捻芯纖維的束縛、覆蓋作用增大，使芯纖維結(jié)構(gòu)更緊密，從而使條干改善；當(dāng)包纏捻度增大到一定程度后，紗線(xiàn)光澤變差，手感變硬，條干CV改善效果趨于平緩；而包纏張力增加，條干CV處于平穩(wěn)狀態(tài)。

圖8 包纏捻度和包纏張力交互影響條干的響應(yīng)曲面

2.3 成紗質(zhì)量指標(biāo)的最優(yōu)化求解

為減少生產(chǎn)中紗線(xiàn)斷頭情況，達(dá)到與環(huán)錠紡相同的斷裂功，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)整?？梢栽O(shè)置試驗(yàn)條件的最低值及最高值，軟件預(yù)測(cè)出最優(yōu)值，并且提供最優(yōu)值條件之外的一種或幾種方案。 設(shè)置好的參數(shù)要求如表9 所示。 在設(shè)定好優(yōu)化的約束和目標(biāo)之后，Design Expert 軟件會(huì)以列表的形式自動(dòng)給出優(yōu)化求解結(jié)果，如表10所示。

表9 平行紗工藝參數(shù)優(yōu)化限制條件

表10 平行紗工藝參數(shù)優(yōu)化方案表

從表10 中得出方案1 為最優(yōu)，即當(dāng)包纏張力為1 倍，包纏捻度為800 捻/m，此時(shí)平行紡紗線(xiàn)最優(yōu)斷裂強(qiáng)力為309.884 cN、條干CV為17.641%。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)研究平行紡包纏張力和包纏捻度對(duì)于平行紗的斷裂強(qiáng)力及條干CV值的影響，并利用響應(yīng)曲面法對(duì)其進(jìn)行二次分析及回歸預(yù)測(cè)，求得斷裂強(qiáng)力=8.9+285.6×x1，條干CV=68.148 5-0.143 5×x2+0.000 1×x22，并在此基礎(chǔ)上對(duì)成紗質(zhì)量指標(biāo)多目標(biāo)求解得到最佳工藝方案：當(dāng)包纏張力為1 倍，包纏捻度為800 捻/m時(shí)，平行紡紗線(xiàn)的斷裂強(qiáng)力為309.884 cN、條干CV為17.641%，質(zhì)量指標(biāo)較優(yōu)。

（2）通過(guò)分析得到，平行紡紗線(xiàn)的斷裂強(qiáng)力與長(zhǎng)絲的包纏張力呈線(xiàn)性關(guān)系，而與包纏捻度關(guān)系不大；紗線(xiàn)的條干CV與包纏捻度呈二次曲線(xiàn)關(guān)系，而與長(zhǎng)絲包纏張力關(guān)系不大。

（3）平行紡紗線(xiàn)由于具有強(qiáng)力高、條干好等特點(diǎn)，在花式紗生產(chǎn)上擁有很大的研究發(fā)展?jié)摿?。本試?yàn)雖然對(duì)其紡制中的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，但是受試驗(yàn)條件和環(huán)境的限制，平行紡的紗線(xiàn)強(qiáng)力及條干還需要進(jìn)一步優(yōu)化來(lái)提高。